(57)【要約】  本出願はOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法、装置及びOvXDMシステムを開示している。前記方法は下記内容を含む。設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス2019537312.tif 000167を構築すること。その中、前記観測マトリックス2019537312.tif 000168はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい；公式2019537312.tif 000169により低いサンプリングスピードでオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号2019537312.tif 000170を得る。その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである；予定のアルゴリズムにより圧縮信号2019537312.tif 000171を再建することでオリジナル信号yを回復する。本発明はシステムサンプリング率を下げる状況では、精確にオリジナル信号を回復し、システムハードウエアの指標の要求を下げ、方案の実現性を上げることを実現している。【選択図】図１
2019537312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
OvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法であって、
設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000114
を構築し、その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000115
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい；
公式
2019537312.tif 000116
によりオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000117
を得て、その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである；
予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000118
を再建することでオリジナル信号yを回復する；
ことを特徴とするOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法。
【請求項２】
請求項１記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法において、
Mの値がオリジナル信号yの希薄度により選ぶことである、
信号サンプリング回復方法。
【請求項３】
請求項１記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法において、
前記予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000119
を再建することでオリジナル信号yを回復し、かつ下記を含む：
サイズS*Sの対角マトリックスをオリジナル信号yの希薄領域に変換し、直交変換マトリックスΨを得る；
公式
2019537312.tif 000120
により回復マトリックスTを計算し、その中、Ψ'はΨの転置マトリックスである；
マージンrn、増量マトリックス
2019537312.tif 000121
、サイズ1*Sの再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000122
、トータル反復回数Nを設定し、その中、Nは負数でない整数であり、マージン初期値はr0=
2019537312.tif 000123
、増量マトリックス
2019537312.tif 000124
の初期値はエンプティーマトリックスである；
反復計算を始め、毎回の反復計算は下記を含む：
マージンと回復マトリックスTの各列の内積
2019537312.tif 000125
を計算し、S個の内積を得る；
このS個の内積で絶対値最大の要素対応のインデックスkを見つける。その中、kは
2019537312.tif 000126
を満足する；
回復マトリックスTの第k列のデータを増量マトリックス
2019537312.tif 000127
を保存し増量マトリックス
2019537312.tif 000128
を拡充し、回復マトリックスTの第k列のデータをクリアする；増量マトリックス
2019537312.tif 000129
は拡充するごとに、前n-1のデータを保留し、第n回のデータを末尾に補充し、その中、nは現在の反復回数である；
オリジナル信号yの希薄領域での近似信号
2019537312.tif 000130
を計算し、
2019537312.tif 000131
を得る；その中、
2019537312.tif 000132
はマトリックスに対し転置運算を求めることを示し、
2019537312.tif 000133
はマトリックスに対し逆演算を求めることを示す；
圧縮信号
2019537312.tif 000134
と近似信号
2019537312.tif 000135
の間のマージンを計算し、
2019537312.tif 000136
を更新する；
N回反復が終わるまで、現在反復回数nに1を足し、反復回数を更新する；
N回反復により得たすべての近似信号
2019537312.tif 000137
に対し、反復するごとに得た近似信号
2019537312.tif 000138
を、当該回の反復で見つけたインデックスkにより、再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000139
マトリックスの対応するインデックスの列に更新する；
公式
2019537312.tif 000140
により、オリジナル信号yを回復する；
信号サンプリング回復方法。
【請求項４】
請求項３記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法において、
トータル反復回数Nの値はオリジナル信号yの希薄度により選ぶことである、
信号サンプリング回復方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法において、
前記OvXDMシステムがOvTDMシステム、OvFDMシステム、OvCDMシステム、OvSDMシステム又はOvHDMシステムである、
信号サンプリング回復方法。
【請求項６】
OvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置であって、
観測マトリックス構築ユニットは、設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000141
を構築することに使われ、その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000142
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい；
圧縮ユニットは、公式
2019537312.tif 000143
によりオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000144
を得ることに使われ、その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである；
再建回復ユニットは、予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000145
を再建することでオリジナル信号yを回復することに使われる；
ことを特徴とするOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置。
【請求項７】
請求項６記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置において、
前記観測マトリックス構築ユニットが、オリジナル信号yの希薄度によりMの値を選ぶための第一代入ユニットをさらに含む、
信号サンプリング回復装置。
【請求項８】
請求項６記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置において、
前記再建回復ユニットが下記を含む：
変換マトリックス構築ユニットは、サイズS*Sの対角マトリックスをオリジナル信号yの希薄領域に変換し、直交変換マトリックスΨを得ることに使われる；
回復マトリックス計算ユニットは、公式
2019537312.tif 000146
により回復マトリックスTを計算することに使われ、その中、Ψ'はΨの転置マトリックスである；
設定ユニットは、マージンrn、増量マトリックス
2019537312.tif 000147
、サイズ1*Sの再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000148
、トータル反復回数Nを設定することに使われ、その中、Nは負数でない整数であり、マージン初期値はr0=
2019537312.tif 000149
、増量マトリックス
2019537312.tif 000150
初期値はエンプティーマトリックスである；
反復ユニットは、反復計算を行うことに使われ、かつ下記を含む：
内積計算ユニットは、マージンと回復マトリックスTの各列の内積
2019537312.tif 000151
を計算し、S個の内積を得ることに使われる；
シークユニットは、このS個の内積で絶対値最大の要素対応のインデックスkを見つけることに使われ、その中、kは
2019537312.tif 000152
を満足する；
拡充ユニットは、回復マトリックスTの第k列のデータを増量マトリックス
2019537312.tif 000153
を保存し増量マトリックス
2019537312.tif 000154
を拡充し、回復マトリックスTの第k列のデータをクリアすることに使われる；増量マトリックス
2019537312.tif 000155
は拡充するごとに、前n-1のデータを保留し、第n回のデータを末尾に補充し、その中、nは現在の反復回数である；
近似信号計算ユニットは、オリジナル信号yの希薄領域での近似信号を計算し
2019537312.tif 000156
、
2019537312.tif 000157
を得ることに使われ、その中、
2019537312.tif 000158
はマトリックスに対し転置運算を求めることを示し、
2019537312.tif 000159
はマトリックスに対し逆演算を求めることを示す；
マージン計算ユニットは、圧縮信号
2019537312.tif 000160
と近似信号
2019537312.tif 000161
の間のマージンを計算することに使われる；
第一更新ユニットは、
2019537312.tif 000162
を更新することに使われる；
第二更新ユニットは、N回反復が終わるまで、現在反復回数nに1を足し、反復回数を更新することに使われる。；
再建ユニットは、N回反復により得たすべての近似信号に対し
2019537312.tif 000163
、反復するごとに得た近似信号
2019537312.tif 000164
を、当該回の反復で見つけたインデックスkにより、再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000165
マトリックスの対応するインデックスの列に更新することに使われる；
回復ユニットは、公式
2019537312.tif 000166
により、オリジナル信号yを回復することに使われる；
信号サンプリング回復装置。
【請求項９】
請求項８記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置において、
再建回復ユニットが、オリジナル信号yの希薄度によりトータル反復回数Nの値を選ぶための第二代入ユニットをも含む
信号サンプリング回復装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか記載のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置を含み、その中、OvXDMシステムがOvTDMシステム、OvFDMシステム、OvCDMシステム、OvSDMシステム又はOvHDMシステムである、
OvXDMシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法、装置及びOvXDMシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
OvXDMシステムでは、受信側はまず受信したアナログ信号に対しサンプリングしデジタル信号を得てから、デジタル信号に対し後続の処理（例えばデコード）を行う。しかし、重複回数Kの増加とともに、受信側の信号に対するサンプリング点数が多くなっている--ナイキストサンプリング定理により、精確に信号を再建するには、サンプリングスピードは信号帯域幅の二倍以上にならなければならない--これにより、OvXDMシステムのハードウエアのA/Dに対する要求が高くなり、ハードウエアシステムが大きなサンプリングスピードと処理速度のプレッシャーを直面し、ハードウエアの実現可能性が下がっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明はOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法、装置及びOvXDMシステムを提供するものである。このシステムは、受信側でオリジナル信号を圧縮しより低いサンプリングスピードで信号サンプリングし、一定の方法によりサンプリング信号を再建することでオリジナル信号を回復する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第一の特徴によれば、本発明はOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法を提供し、下記を含むものである。
【０００５】
設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000003
を構築する。その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000004
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい；
公式
2019537312.tif 000005
により低いサンプリングスピードでオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000006
を得る。その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである；
予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000007
に対し再建することでオリジナル信号yを回復する。
【０００６】
本発明の第二の特徴によれば、本発明はOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置を提供し、下記を含むものである。
【０００７】
観測マトリックス構築ユニットは、設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000008
を構築することに使われる。その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000009
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい；
圧縮ユニットは、公式
2019537312.tif 000010
により低いサンプリングスピードでオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000011
を得ることに使われる。その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである；
再建回復ユニットは、予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000012
を再建することでオリジナル信号yを回復することに使われる。
【０００８】
本発明の第三の特徴によれば、本発明はOvXDMシステムを提供し、前記OvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置を含む。その中、OvXDMシステムがOvTDMシステム、OvFDMシステム、OvCDMシステム、OvSDMシステム又はOvHDMシステムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の有益な効果は下記の通りである。
【００１０】
上記により実施されるOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法、装置及びOvXDMシステムは、OvXDMシステムの発射側からのオリジナル信号の希薄性を十分に利用し、受信側で信号を圧縮し低いサンプリングスピードで信号をサンプリングし、一定の方法によりサンプリング信号を再建しオリジナル信号を回復することで、システムサンプリング率を下げる状況で正確にオリジナル信号を回復することを実現し、システムハードウエアの指標の要求を下げ、方案の実現性を上げている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、伝統OvTDMシステムの発射側の構成を示す図である。
【図２】図２は、OvTDMシステムが入力符号に対し重複多重エンコードをする平行四辺形規則を示す図である。
【図３ａ】図３（ａ）は、伝統OvTDM受信側の前処理ユニットを示す図である。
【図３ｂ】図３（ｂ）は、伝統OvTDM受信側のシーケンステストユニットを示す図である。
【図４】図４は、システム重複多重回数K=3の場合、システム入力-出力のコードトリーグラフである。
【図５】図５は、図４対応のシステムのノード状態遷移図である。
【図６】図６は、図４又は図５対応のシステムのトレリス（Trellis）グラフである。
【図７】図７は、本発明の実施例でOvTDMシステム発射側からの信号の周波数領域での波形を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施例でOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法のフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施例でOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法の信号再建回復のフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の実施例でOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法の信号再建回復の反復計算のフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の実施例で信号サンプリング回復方法の再建により回復した回復信号とオリジナル信号の比較を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例でOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例でOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置の再建回復ユニットの構成を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例での反復ユニットの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、具体的な実施方法と図面とを結び合わせ、本発明をさらに詳しく説明する。
【００１３】
情報技術の高速発展により、情報に対し人々の需要が急激に増えている。現実世界のアナログ化と信号処理ツールのデジタル化は、アナログ信号ソースからデジタル情報を取得するには、信号サンプリングが避けて通れない道であることを決めている。ナイキストサンプリング定理は、どうやってサンプリングするかを指導する重要な理論基礎である。ナイキストサンプリング定理により、精確に信号を再建するには、サンプリングスピードは信号帯域幅の二倍以上にならなければならないが、情報に対する人々の需要の増加とともに、情報を持つ信号帯域幅がますます広くなり、それを基礎とする信号処理わく組の要求するサンプリングスピードと処理速度も高くなるので、ブロードバンド信号処理の難しさが日増しに増えている。具体的に言えば、OvXDMシステムに対し、重複回数の増加とともに、受信側の信号に対するサンプリング点数が多くなり、ハードウエアのA/Dに対する要求が高くて、ハードウエアシステムが大きなサンプリングスピードと処理速度のプレッシャーを直面し、ハードウエアの実現可能性が下がっている。
【００１４】
本発明では、OvXDMシステムが重複時分割多重（OvTDM、Overlapped Time Division Multiplexing）システム、重複周波数分割多重（OvFDM、Overlapped Frequency Division Multiplexing）システム、重複コード分割多重（OvCDM、Overlapped Code Division Multiplexing）システム、重複スペース分割多重（OvSDM、Overlapped Space Division Multiplexing）システム又は重複混合多重（OvHDM、Overlapped Hybrid Division Multiplexing）システムである。
【００１５】
OvTDMシステムを例とし、まず簡単にシステムの受発信側を説明する。
【００１６】
図1は、OvTDM発信側の発信プロセスである。具体的なステップは下記のようである。
【００１７】
（1）まず発信信号を生成する包絡波形
2019537312.tif 000013
を設計する。
【００１８】
（2）（1）で設計された包絡波形
2019537312.tif 000014
を特定時間にて変位した後に、ほかの各時刻発信信号の包絡波形
2019537312.tif 000015
を生成する。
【００１９】
（3）発信しようとする符号
2019537312.tif 000016
と（2）で生成した相応時刻の包絡波形
2019537312.tif 000017
を相乗し、各時刻の発信待ち信号波形
2019537312.tif 000018
を得る。
【００２０】
（4）（3）で生成した各発信待ち波形の
2019537312.tif 000019
重複を行い、発射信号波形を生成する。発信の信号は
2019537312.tif 000020
と示される。
【００２１】
その中、重複多重の方法は図2に示されている平行四辺形規則に従う。
【００２２】
発信側はエンコード変調後の信号をアンテナにより発射し、信号は無線チャンネルで伝送され、受信側は受信信号に対しマッチング・フィルタリングを行い、信号をそれぞれサンプリングしデコードし、最終的にビットストリームの判决出力をする。
【００２３】
図3は、OvTDM受信側の受信プロセスである。その中、図3（a）はOvTDM受信側の前処理ユニットであり、図3（b）はOvTDM受信側のシーケンステストユニットである。具体的なステップは下記のようである。
【００２４】
（5）まず受信信号を同期する。搬送波同期、フレーム同期、符号時間同期等を含む。
【００２５】
（6）サンプリング定理により、各フレーム内の受信信号に対しデジタル化処理を行う。
【００２６】
（7）受信した波形に対し波形発信の時間間隔により切断する。
【００２７】
（8）一定のデコードアルゴリズムにより切断後の波形をデコードする。例えば、ビタビデコードでデコードする。
【００２８】
その中、デコードプロセスは図4〜6を参照されたい。図4は重複多重回数K=3の場合、システム入力-出力のコードトリーグラフであり、図5はシステム対応のノード状態遷移図であり、図6はシステムのトレリス（Trellis）グラフである。
【００２９】
上記と同様に、前記OvTDMシステムを例とする。本実施例は圧縮感知プロセスを説明するために、簡単なパラメータを例とし説明する。例A：仮にビット情報の長さN=100、重複回数K=4、各ビットのサンプリング倍数sample=10とし、チェビシェフを多重波形とすると、発信側はまず100個の情報ビットのBPSK変調を行う後に、矩形波と畳み込み運算を行い
2019537312.tif 000021
個のサンプルポイントを得る。つまり1030個のサンプルポイントである。アンテナによりエンコード変調後の信号を発信する。受信側はアンテナによりチャンネルで伝送された信号yを受信した後に、信号を回復するにはサンプリング率がとても高くなければならない。
【００３０】
本発明者は研究と実践により、OvXDMシステムの発射側からの信号は、多重波形の関係により、それがとても希薄であることが分かったので、本発明者はOvXDMシステムの発射側からのオリジナル信号の希薄性を十分に利用し、受信側で信号を圧縮し低いサンプリングスピードでオリジナル信号をサンプリングし、一定の方法によりサンプリング信号を再建することでオリジナル信号を回復する。具体的な発明構想と原理は下記の通りである。
【００３１】
信号がある変換領域で希薄である場合は、変換基と関連しない観測マトリックスにより変換で得た高次元信号を低次元スペースに投影できる。それから最適化問題を解ければ少量の投影からオリジナル信号を高確率的に再建できる。その中、投影は信号再建の十分な情報を含むので、サンプリングスピードはもはや信号の帯域幅を決めなくなる。本発明はオリジナル信号（OvXDMシステム発射側からの信号、つまりOvXDMシステム受信側の受信信号）の希薄性を利用し、少量の信号投影値を収集すれば信号を精確に又は近似的に再建でき、サンプリングの同時に情報圧縮を実現している。
【００３２】
仮に実値有限長の一次元離散時間信号Xは、その要素が
2019537312.tif 000022
とすると、それを
2019537312.tif 000023
スペースN*1次元の列ベクトルと見なしてよい。
【００３３】
サンプリング圧縮：
（1）直交基Ψの構築
仮に
2019537312.tif 000024
スペースのいかなる信号はN*1次元の基底ベクトル
2019537312.tif 000025
のシニア組み合わせで示せ、これらの基底は規範的で直行であるとする。ベクトル
2019537312.tif 000026
を列ベクトルとしN*Nの基底マトリックス
2019537312.tif 000027
を生成する。任意信号Xは 
2019537312.tif 000028
又は
2019537312.tif 000029
と示される。その中、
2019537312.tif 000030
は投影係数N*1の列ベクトルである。本分野の当業者であれば、Xと
2019537312.tif 000031
が同じ信号の等価表現で、Xは信号の時間領域での表現で、
2019537312.tif 000032
は信号のΨ領域での表現であることが分かる。
2019537312.tif 000033
のゼロでない個数がNより大幅に小さければ、当該信号が希薄で、圧縮可能であることを証明している。
【００３４】
（2）観測基
2019537312.tif 000034
を構築する
安定で、変換基Ψと関連しないM*N次元の観測マトリックス
2019537312.tif 000035
を設計する。
【００３５】
（3）圧縮信号
Ψ領域の
2019537312.tif 000036
信号を観測し観測集合
2019537312.tif 000037
を得る。
2019537312.tif 000038
と示してもよい。その中、
2019537312.tif 000039
、
2019537312.tif 000040
はCS（Compressed Sensing）情報演算子と呼ばれ、サイズがM*Nである。
2019537312.tif 000041
はサイズM*Nのマトリックスで、
2019537312.tif 000042
はN*1のマトリックスであるため、シニア相乗により得られたYのサイズがM*1であり、即ち長さNの信号をΨ領域で圧縮すると、長さがMとなる。
【００３６】
上記は、オリジナル信号に対し低いサンプリングスピードで完成した圧縮プロセスである。それから、圧縮後のサンプリング信号によりオリジナル信号を再建する。信号の再建は色々な方法を含んでいる。例えば基底追跡法(Basic Pursuit、BP)、マッチング追跡法 (Matching Pursuit、MP)と直交マッチング追跡法 (Orthogonal Matching Pursuit、OMP)等がある。直交マッチング追跡法を例とし信号の再建プロセスを説明する。
【００３７】
再建プロセス：
（4）マージン
2019537312.tif 000043
を初期化し、重建信号
2019537312.tif 000044
、インデックスセット
2019537312.tif 000045
、反復回数nは0から始まる。
【００３８】
（5）マージンと感知マトリックス
2019537312.tif 000046
の各列の内積
2019537312.tif 000047
を計算する。
【００３９】
（6）
2019537312.tif 000048
の中の絶対値最大の要素対応のインデックスkを見つけ、
2019537312.tif 000049
を満足する。
【００４０】
（7）原子集合
2019537312.tif 000050
と新インデックスセット
2019537312.tif 000051
を更新する。
【００４１】
（8）最小二乗法で信号の近似解：
2019537312.tif 000052
を計算する。
【００４２】
（9）マージン
2019537312.tif 000053
を計算更新する。
【００４３】
（10）反復回数n=n+1を更新し、反復停止条件を満足するかを判断する。満足すると
2019537312.tif 000054
、
2019537312.tif 000055
、
2019537312.tif 000056
を出力し、満足しないとステップ（5）に戻り、引き続き進める。その中、
2019537312.tif 000057
は再建回復後の信号である。
【００４４】
上記は本発明のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法、装置及びOvXDMシステムの構想及び原理である。以下に、本発明を詳しく説明する。
【００４５】
OvXDMは多重波形の特徴により、オリジナル信号が変換領域を見つけ、この変換領域では信号は希薄性がある。例えば、OvTDMシステムの信号に対し、それは周波数領域では希薄である。OvTDMのスペクトル帯域幅は図7のように、システム帯域幅がfsであるが、実際の有効信号は真ん中のほんの少しの一部帯域幅にあり、ほかの区域は希薄であるので、OvTDM信号が圧縮可能であると思われる。それと似ているように、OvFDMシステムも時間領域の信号が希薄であることを照明できる。周波数領域の信号が時間領域の信号に変換した後に、エネルギーが有限の時間内だけに存在し、ほかの時間はエネルギーがだんだん弱くなるので、OvFDM信号も圧縮可能である。
【００４６】
本発明のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法（下記から信号サンプリング回復方法と略称する）は、一つの実施例では、OvXDMシステムがOvTDMシステム、OvFDMシステム、OvCDMシステム、OvSDMシステム又はOvHDMシステムである。図8を参照されたい。本発明の信号サンプリング回復方法はステップS100〜S500を含む。
【００４７】
ステップS100、設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000058
を構築する。その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000059
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい。Mの値があまり小さければ、信号が再建されにくいが、あまり大きければ到圧縮の效果を果たせない。そのため、一つの実施例では、Mの値はオリジナル信号yの希薄度により選ぶ。例えば、OvTDMシステムを例とし、周波数領域で信号の有効帯域幅は実際の帯域幅の0.1を占めるので、Mを選ぶ時に、M/Sもできるだけ0.1より大きいべきである。M=200とする。また、一般的には、観測マトリックスとオリジナル信号の関連性は小ければ小さいほどよい。ランダム正規分布で測定マトリックスを生成する。ここのオリジナル信号yは、OvXDMシステムの発射側から来た信号である。
【００４８】
ステップS300、公式
2019537312.tif 000060
により低いサンプリングスピードでオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000061
を得る。その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである、例えば、上記のように、オリジナル信号yの長さがSであり、それでオリジナル信号yを直接にサイズS*1の列ベクトルYに変える。本ステップS300は実際は長さSの信号のサンプリング圧縮を行ってから長さMの信号に変える。
【００４９】
ステップS500、予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000062
に対し再建することでオリジナル信号yを回復する。上記のように、信号の再建は色々な方法を含んでいる。例えば、基底追跡法(Basic Pursuit、BP)、マッチング追跡法 (Matching Pursuit、MP)と直交マッチング追跡法(Orthogonal Matching Pursuit、OMP)等がある。一つの実施例では、本発明は直交マッチング追跡法で信号の再建回復を行っている。具体的には、図9を参照されたい。本ステップS500はステップS501〜S511を含む。
【００５０】
ステップS501、サイズS*Sの対角マトリックスをオリジナル信号yの希薄領域に変換し、直交変換マトリックスΨを得る。希薄領域はオリジナル信号yが変換領域では希薄であることを指す。上記のように、OvTDMシステムの希薄領域は周波数領域で、OvFDMシステムの希薄領域は時間領域である。
【００５１】
ステップS503、公式
2019537312.tif 000063
により回復マトリックスTを計算する。その中、
Ψ'はΨの転置マトリックスである。
ステップS505、マージンrn、増量マトリックス
2019537312.tif 000064
、サイズ1*Sの再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000065
、トータル反復回数Nを設定する。その中、Nは負数でない整数であり、マージン初期値はr0=
2019537312.tif 000066
、増量マトリックス
2019537312.tif 000067
の初期値はエンプティーマトリックスである。一つの実施例では、トータル反復回数Nの値はオリジナル信号yの希薄度により選ぶ。トータル反復回数Nの値の選択はMの値と似ている。両者の間の値は近似又は同等でもよい。例えば、本実施例は反復回数を200としてもよい。
【００５２】
ステップS507、反復計算を始める。図10を参照されたい。毎回の反復計算はステップS507a〜S507fを含む。
【００５３】
ステップS507a、マージンと回復マトリックスTの各列の内積
2019537312.tif 000068
を計算し、S個の内積を得る。このステップは実際は回復マトリックスとマージンの相関性を計算している。回復マトリックスTのサイズはM*S、r0のサイズはM*1、Tは各列でr0と相乗するごとに一つの内積値を得られ、トータルS個の内積値を得る。上記例Aを例とし、本ステップは1030個の内積値を取得できる。
【００５４】
ステップS507b、このS個の内積で絶対値最大の要素対応のインデックスkを見つける。その中、kは 
2019537312.tif 000069
を満足する；
ステップS507c、回復マトリックスTの第k列のデータを増量マトリックス
2019537312.tif 000070
に保存し充増量マトリックス
2019537312.tif 000071
を拡充し、回復マトリックスTの第k列のデータをクリアする。増量マトリックス
2019537312.tif 000072
が拡充するごとに、前n-1のデータを保留し、第n回のデータを末尾に補充する。その中、nは現在の反復回数である。
【００５５】
ステップS507d、オリジナル信号yの希薄領域での近似信号
2019537312.tif 000073
を計算し、
2019537312.tif 000074
を得る。その中、
2019537312.tif 000075
はマトリックスに対し転置運算を求めることを示し、
2019537312.tif 000076
はマトリックスに対し逆演算を求めることを示す。一つの実施例では、最小二乗法で周波数領域信号の近似解を計算し、つまり近似信号
2019537312.tif 000077
である。
【００５６】
ステップS507e、圧縮信号
2019537312.tif 000078
と近似信号
2019537312.tif 000079
の間のマージンを計算し、
2019537312.tif 000080
を更新する。
【００５７】
ステップS507f、N回反復が終わるまで、現在反復回数nに1を足し、反復回数を更新する。また、反復終了は多くの条件を設定でき、例えばマージンが一定の値より小さい場合、回復により希薄領域での信号が現れたと見なし、反復をとめる。反復回数を設定してもよく、反復回数になるととめる。本実施例では、反復回数を設定する方法で反復プロセスをとめる。
【００５８】
ステップS509、N回反復により得たすべての近似信号
2019537312.tif 000081
に対し、反復するごとに得た近似信号
2019537312.tif 000082
を、当該回の反復で見つけたインデックスkにより、再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000083
マトリックスで対応のインデックスの列に更新する。反復回数200を例とする時に、本ステップは200回の反復により得た200個の近似信号の解
2019537312.tif 000084
であり、それをステップS507bで見つけたインデックスkにより、再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000085
マトリックスで対応のインデックスの列に更新し、S個のベクトルを得る。その中、200個だけはデータがあり、ほかは全部0で、即ち希薄領域での希薄信号分布と対応する。
【００５９】
ステップS511、公式
2019537312.tif 000086
により、回復出オリジナル信号y。やはりOvTDMシステムを例とする。このステップは得られた圧縮したスペクトル信号を、変換マトリックスΨにより対応する時間領域信号
2019537312.tif 000087
を回復し、長さがSである。その中、yは回復されたオリジナル信号である。図11により、再建された信号は高精度にオリジナル信号を回復したことが分かる。
【００６０】
上記は本発明のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復方法である。それと相応に、本発明はOvXDMシステムをも提示し、それはOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置を含む。その中、OvXDMシステムがOvTDMシステム、OvFDMシステム、OvCDMシステム、OvSDMシステム又はOvHDMシステムである。本発明のOvXDMシステムに適用される信号サンプリング回復装置は、図12を参照されたい。それは観測マトリックス構築ユニット100、圧縮ユニット300と再建回復ユニット500を含む。
【００６１】
観測マトリックス構築ユニット100は、設計パラメータによりオリジナル信号yと関連しない観測マトリックス
2019537312.tif 000088
を構築することに使われる。その中、前記観測マトリックス
2019537312.tif 000089
はサイズがM*Sである二次元マトリックスであり、Sがオリジナル信号yの長さで、MがSより小さい。Mの値があまり小さければ、信号が再建されにくいが、あまり大きければ到圧縮の效果を果たせない。そのため、一つの実施例では、観測マトリックス構築ユニット100は第一代入ユニット101をも含む。それはオリジナル信号yの希薄度によりMの値を選ぶことに使われる。例えば、OvTDMシステムを例とする。周波数領域で信号の有効帯域幅が実際の帯域幅の0.1を占めるので、Mを選ぶ時に、M/Sはできるだけ0.1より大きくすべきで、ここではM=200とする。また、一般的には、観測マトリックスとオリジナル信号の関連性は小ければ小さいほどよい。ランダム正規分布で測定マトリックスを生成する。ここのオリジナル信号yは、OvXDMシステムの発射側から来た信号である。
【００６２】
圧縮ユニット300は、公式
2019537312.tif 000090
により低いサンプリングスピードでオリジナル信号yを圧縮し、サイズがM*1である圧縮信号
2019537312.tif 000091
を得ることに使われる。その中、Yはオリジナル信号yから得たサイズS*1の列ベクトルである。
【００６３】
再建回復ユニット500は、予定のアルゴリズムにより圧縮信号
2019537312.tif 000092
を再建することでオリジナル信号yを回復することに使われる。再建回復ユニット500の実現原理は多くて、例えば基底追跡法(Basic Pursuit、BP)、マッチング追跡法 (Matching Pursuit、MP)と直交マッチング追跡法 (Orthogonal Matching Pursuit、OMP)等がある。一つの実施例では、本発明は直交マッチング追跡法による信号の再建回復の原理で再建回復ユニット500を実現する。具体的には、図13を参照されたい。再建回復ユニット500は変換マトリックス構築ユニット501、回復マトリックス計算ユニット503、設定ユニット505、反復ユニット507、再建ユニット509と回復ユニット511を含む。
【００６４】
変換マトリックス構築ユニット501は、サイズS*Sの対角マトリックスをオリジナル信号yの希薄領域に変換し、直交変換マトリックスΨを得ることに使われる。
【００６５】
回復マトリックス計算ユニット503は、公式
2019537312.tif 000093
により回復マトリックスTを計算することに使われる。その中、Ψ'ΨはΨの転置マトリックスである。
【００６６】
設定ユニット505は、マージンrn、増量マトリックス
2019537312.tif 000094
、サイズ1*Sの再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000095
、トータル反復回数Nを設定することに使われる。その中、Nは負数でない整数であり、マージン初期値はr0=
2019537312.tif 000096
であり、増量マトリックス
2019537312.tif 000097
の初期値はエンプティーマトリックスである。
【００６７】
反復ユニット507は、反復計算を行うことに使われる。図14を参照されたい。それは内積計算ユニット507a、シークユニット507b、拡充ユニット507c、近似信号計算ユニット507d、マージン計算ユニット507eを含む、第一更新ユニット507fと第二更新ユニット507g、一つの実施例では、さらに第二代入ユニット507hを含む。
【００６８】
内積計算ユニット507aは、マージンと回復マトリックスTの各列の内積
2019537312.tif 000098
を計算し、S個の内積を得ることに使われる。
【００６９】
シークユニット507bは、このS個の内積で絶対値最大の要素対応のインデックスkを見つけることに使われる。その中、kは
2019537312.tif 000099
を満足する。
【００７０】
拡充ユニット507cは、回復マトリックスTの第k列のデータを増量マトリックス
2019537312.tif 000100
に保存し増量マトリックス
2019537312.tif 000101
を拡充し、回復マトリックスTの第k列のデータをクリアすることに使われる。増量マトリックス
2019537312.tif 000102
は拡充するごとに、前n-1のデータを保留し、第n回のデータを末尾に補充する。その中、nは現在の反復回数である。一つの実施例では、第二代入ユニット507hはオリジナル信号yの希薄度によりトータル反復回数Nの値を選ぶことに使われる。
【００７１】
近似信号計算ユニット507dは、オリジナル信号yの希薄領域での近似信号を計算し
2019537312.tif 000103
、
2019537312.tif 000104
を得ることに使われる。その中、
2019537312.tif 000105
はマトリックスに対し転置運算を求めることを示し、
2019537312.tif 000106
はマトリックスに対し逆演算を求めることを示す。
【００７２】
マージン計算ユニット507eは、圧縮信号
2019537312.tif 000107
と近似信号
2019537312.tif 000108
の間のマージンを計算することに使われる。
【００７３】
第一更新ユニット507fは、
2019537312.tif 000109
を更新することに使われる。
【００７４】
第二更新ユニット507gは、N回反復が終わるまで、現在反復回数nに1を足し、反復回数を更新することに使われる。
【００７５】
再建ユニット509は、N回反復により得たすべての近似信号に対し
2019537312.tif 000110
、反復するごとに得た近似信号
2019537312.tif 000111
を、当該回の反復で見つけたインデックスkにより、再建待ちの希薄領域での信号
2019537312.tif 000112
マトリックスの対応インデックスの列に更新することに使われる。
【００７６】
回復ユニット511は、公式
2019537312.tif 000113
により、オリジナル信号yを回復することに使われる。
【００７７】
本発明はOvXDMシステムの発射側からのオリジナル信号の希薄性を十分に利用し、受信側で信号を圧縮し低いサンプリングスピードで信号をサンプリングし、一定の方法によりサンプリング信号を再建しオリジナル信号を回復する。具体的には、本発明はそれを利用しスペース説明信号を変換し、新しい信号説明と処理の理論のわく組を作り、情報損失のない状況で、ナイキストサンプリング定理の要求よりかなり低いサンプリングスピードでオリジナル信号をサンプリングし、同時にサンプリングで得られた信号により完全にオリジナル信号を回復できる。
【００７８】
このように、システム設計時にハードウエアに対する要求が大幅に下がり、実現可能性も大幅に上がっている。これにより、OvXDMシステムの重複回数が大きい場合、オリジナル信号を回復するには受信側は高いサンプリングスピードと処理速度が必要で、ハードウエアの実現が難しく、方案の実施可能性が下がる問題を解決している。重複回数が大きい場合、本発明によりシステムサンプリング率を下げる状況で精確にオリジナル信号を回復し、システムハードウエアの指標の要求を下げ、方案の実現性を上げることを実現している。
【００７９】
上記説明内容は具体的な実施方法と結び合わせ、本発明をさらに詳しく説明したものであり、本発明の具体的な実施はこれらの説明に限られると見なしてはならない。本発明の所属技術分野の一般技術者にとっては、本発明の構想を逸脱しない前提で、また若干簡単な演繹や差し替えを行うことができる。
【図１】
2019537312.tif 000172
【図２】
2019537312.tif 000173
【図３】
2019537312.tif 000174
【図４】
2019537312.tif 000175
【図５】
2019537312.tif 000176
【図６】
2019537312.tif 000177
【図７】
2019537312.tif 000178
【図８】
2019537312.tif 000179
【図９】
2019537312.tif 000180
【図１０】
2019537312.tif 000181
【図１１】
2019537312.tif 000182
【図１２】
2019537312.tif 000183
【図１３】
2019537312.tif 000184
【図１４】
2019537312.tif 000185
【国際調査報告】
2019537312.tif 000186
2019537312.tif 000187
2019537312.tif 000188
2019537312.tif 000189